JP5124298B2 - 自動操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、船舶等の航走体の針路を自動制御する自動操舵装置に関する。

下記特許文献１には、従来のＰＤＩ制御方式に代えて、制御型多次元自己回帰モデルを用いた制御方式の自動操舵装置が開示されている。この自動操舵装置は、被制御変数を船体の横揺れ角速度及び針路偏差とすると共に操作変数を舵角とし、操舵対象となる航走体の運動性能を示す運動特性行列に基づいて上記被制御変数に対応する操作変数を出力する制御型多次元自己回帰モデルを用いて航走体の舵（舵角）を制御するものである。
また、特許文献２には、上記制御型多次元自己回帰モデルに類似する制御モデルを用いることにより航走体の横揺れを減少させる船舶の減揺装置が開示されている。
特開２００３−１０４２９１号公報 特開平０４−３２１４８５号公報

ところで、上記従来の自動操舵装置は、制御型多次元自己回帰モデルを用いるものであり、ＰＤＩ制御方式における積分項（Ｉ制御）を備えていない。ＰＤＩ制御方式におけるＩ制御は、周知のように制御目標値と制御量との偏差（制御偏差）をなくすような作用を奏する制御要素であるが、このようなＩ制御を備えていない従来の自動操舵装置は、外乱等によって針路偏差が発生した場合に、当該針路偏差を自動的に是正することができないという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、予め得られた航走体の運動性能に基づいて針路偏差（被制御変数）に応じた舵角（操作変数）を出力する自己回帰モデルを用いた自動操舵装置において、針路偏差を自動的に是正すると共に当該是正を速やかに実現することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、予め得られた航走体の運動性能に基づいて針路偏差（被制御変数）に応じた舵角（操作変数）を出力する自己回帰モデルを用いた自動操舵装置において、所定の時間間隔で針路偏差の平均値を求め、当該平均値に基づいて設定針路（針路目標値）を修正する設定針路修正部を備える、という手段を採用する。

第２の解決手段として、上記第１の手段において、設定針路修正部は、現在時刻における平均値Ａｖｅ（ｋ）、現在の針路偏差Ｄｅｖ（ｋ）、１単位時間前の平均値Ａve（ｋ−１）、平均値を求める時間長さＬａｇとする下記式（１）によって上記針路偏差の平均値を求める、という手段を採用する。

第３の解決手段として、上記第２の手段において、限界感度法によって求められる制御パラメータの中の積分時間を前記時間長さＬａｇとする、という手段を採用する。

本発明によれば、所定の時間間隔で針路偏差の平均値を求め、当該平均値に基づいて舵角を修正する針路偏差修正部を備えるので、予め得られた航走体の運動性能に基づいて針路偏差（被制御変数）に応じた舵角（操作変数）を出力する自己回帰モデルを用い、Ｉ制御を備えていない自動操舵装置においても、針路偏差を自動的かつ速やかに是正することができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。なお、本実施形態は、船舶用の自動操舵装置（一般的にオートパイロットと称する。）に本発明を適用した場合に関するものである。

図１は、本実施形態に係るオートパイロットＡ（自動操舵装置）の機能構成を示すブロック図である。本オートパイロットＡは、船舶の操舵室に装備され、当該船舶を設定針路に沿って自動航行させる電子装置であり、図示するように、減算器１、針路設定器２、設定針路修正部３、ＰＤ制御器４、船体運動モデル５及びゲインスケジューラ６を主な構成要素として備えている。

減算器１は、設定針路修正部３から入力される修正設定針路と船舶に別途備えられたジャイロコンパスから供給される方位情報との差分、つまり針路偏差を演算してＰＤ制御器４に出力する。針路設定器２は、操舵者によって設定された設定針路（針路目標値）を設定針路修正部３に出力する。設定針路修正部３は、上記減算器１から入力された針路偏差に基づいて修正設定針路を演算して減算器１に出力するものである。すなわち、設定針路修正部３は、現在時刻（ｋ）における針路偏差の平均値Ａｖｅ（ｋ）を式（１）を用いて所定の時間間隔で（つまり、単位時間Ｔr経過する毎に）求め、当該平均値Ａｖｅ（ｋ）に応じて設定針路を修正した修正設定針路を上記減算器１に出力する。

なお、上式（１）において、Ｄｅｖ（ｋ）は現在時刻における針路偏差、Ａve（ｋ−１）は現在時刻から単位時間Ｔr前における針路偏差の平均値、Ｌａｇは針路偏差の平均値Ａｖｅ（ｋ）を求める時間長さである。

上記時間長さＬａｇは、周知の限界感度法によって求められる各種制御パラメータのうち、積分時間Ｔｉとして求められるものである。すなわち、Ｒｅｌａｙ制御におけるアルティミット（Ultimate）ゲインＫｕとアルティミット周期Ｔｕと限界感度法に適用することによりＰＩＤ制御における比例ゲインＫｐ、積分時間Ｔｉ及び微分時間Ｔｄは、例えば下式（２）〜（４）によって求めることができる。
Ｋｐ＝０．３５・Ｋｕ （２）
Ｔｉ＝１．１３Ｔｕ （３）
Ｔｄ＝０．１８Ｔｉ （４）

図２は、設定舵角ｄを±５度変化させた場合におけるＲｅｌａｙ制御の結果（実際の針路偏差Ｌ）を示す模式図である。上記アルティミットゲインＫｕは、実際の針路偏差Ｌと設定舵角ｄとの比（ｄ／ａ）として与えられ、アルティミット周期Ｔｕは、実際の針路偏差Ｌの変動周期として与えられる。周知の船舶に関するＴＫモデルにおいて、設定舵角ｄを±５度、かつ、Ｔ＝２０（秒）、Ｋ＝０．０４（１/秒）と設定した場合、アルティミットゲインＫｕは４．４９８、アルティミット周期Ｔｕは６０秒と求められる。

したがって、この場合の比例ゲインＫｐ、積分時間Ｔｉ及び微分時間Ｔｄは以下のような値となる。
Ｋｐ＝０．３５・Ｋｕ＝１．７２８
Ｔｉ＝１．１３Ｔｕ＝６７．８（秒）
Ｔｄ＝０．１８Ｔｉ＝１２．２０４（秒）

図３は、設定舵角ｄを±５度、かつ、Ｔ＝３００（秒）、Ｋ＝０．０４（１/秒）と設定した場合のＲｅｌａｙ制御の結果を示すものであり、この場合の比例ゲインＫｐ、積分時間Ｔｉ及び微分時間Ｔｄは以下のような値となる。
Ｋｐ＝１．５７４
Ｔｉ＝２２０．３５（秒）
Ｔｄ＝３９．６３（秒）
したがって、この場合には、２２０．３５秒を上記時間長さＬａｇとして式（１）による針路偏差の平均値Ａｖｅ（ｋ）を行えば良い。

ＰＤ制御器４は、ゲインスケジューラ６から入力される制御ゲインに基づいて針路偏差を比例制御（Ｐ制御）・微分制御（Ｄ制御）処理することにより操作量としての舵角指令を生成し、当該舵角指令を船舶に別途備えられた操舵機に出力する。すなわち、ＰＤ制御器４は、減算器１から入力された針路偏差にゲインスケジューラ６から入力される比例ゲインを乗算して得られた量と、針路偏差を微分して微分時間を乗算して得られた量とを加算した量を舵角指令（操作量）として算出する。
なお、操舵機は、周知のように船舶の舵を駆動するアクチュエータであり、舵を上記舵角指令に応じた角度（舵角）に設定する。

船体運動モデル５は、船舶の運動性能を運動特性行列として記憶するものであり、当該運動特性行列をゲインスケジューラ６に出力する。上記運動特性行列は、本オートパイロットＡが自動操舵の対象とする船舶を試験航行させることによって得られるものである。ゲインスケジューラ６は、このような運動特性行列基づいて最適な制御ゲイン、つまりＰ制御の最適制御ゲインとＤ制御の最適微分時間とを設定してＰＤ制御器４に出力する。

次に、このように構成された本オートパイロットＡの動作について図４及び図５をも参照して詳しく説明する。

上述したように本オートパイロットＡは、ＰＤ制御器４によって針路偏差に応じた舵角指令を生成するものであり、ＰＤＩ制御方式における積分項（Ｉ制御）を備えていない制御形態のものである。一般的に、このようにＩ制御を備えていない制御形態においては、外乱によって制御偏差が発生した場合に当該制御偏差を是正することができないという問題が、本オートパイロットＡでは、設定針路修正部３によって針路設定器２で設定された設定針路を修正することによって、Ｉ制御を備えていないことに起因する上記問題点を克服している。

図４は、設定針路修正部３の動作を模式的に示す説明図である。設定針路に沿って航行する船舶は波浪等の外乱を受け、当該外乱によって各航行地点において針路偏差θ1，θ2，……，θNが発生し、設定針路が示す方位φ0とは異なる方位φ1，φ2，……，φNが針路となるが、設定針路修正部３は、所定の単位時間Ｔr毎の各航行地点において、式（１）に基づいて針路偏差の平均値Ａｖｅ（ｋ）を演算し、当該平均値Ａｖｅ（ｋ）に応じて方位φ1，φ2，……，φNが設定針路が示す方位φ0となるように設定針路を修正する。

すなわち、設定針路修正部３は、図示するように、各航行地点において設定針路に針路偏差OFFSET修正値を付加することにより修正設定針路を生成して減算器１に出力する。このような設定針路修正部３による設定針路の修正によって、時々刻々と変化する外乱、つまり時々刻々と変化する針路偏差に対して船舶の針路偏差を是正することが可能であり、この結果として船舶の針路を設定針路に即したものに維持することが可能である。例えば上記単位時間Ｔrを５分に設定した場合、５分毎に針路偏差の平均値Ａｖｅ（ｋ）が演算されるので、船舶の針路が５分毎に本来の設定針路に即したものに速やかに修正される。

また、現在時刻（ｋ）における針路偏差の平均値Ａｖｅ（ｋ）は式（１）に基づいて演算されるが、この式（１）は、現在時刻（ｋ）における針路偏差Ｄｅｖ（ｋ）、現在時刻（ｋ）から単位時間Ｔr前の過去時刻（ｋ−１）における針路偏差の平均値Ａve（ｋ−１）及び定数である時間長さＬａｇから構成されるものであり、過去時刻（ｋ−１）における針路偏差の平均値Ａve（ｋ−１）及び時間長さＬａｇのみを記憶しておくことにより現在時刻（ｋ）における針路偏差の平均値Ａｖｅ（ｋ）を求めることができるものである。したがって、過去の複数時刻ｋ−１，ｋ−２，ｋ−３、……に基づく算術平均に比べてメモリ消費を節約できるというメリットがある。

図５は、単位時間Ｔrを５分とした場合に設定針路修正部３が演算する修正設定針路Ｃと針路偏差Ｄとの関係を示すシミュレーション結果である。修正設定針路Ｃの変化は針路偏差Ｄの変化に対して略逆位相の関係になっており、よって修正設定針路Ｃによって針路偏差Ｄの影響を効果的に是正することができることがわかる。
なお、Ｈは、比較例として示すものであり、５分毎に針路偏差の算術平均を算出して設定針路を修正した場合を示すものであり、このような修正方法では針路偏差Ｄの影響を効果的に是正することができない。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、針路偏差の平均値を式（１）によって求めたが、針路偏差の平均値の算出方法は式（１）に限定されない。他の平均値算出方法を用いても良い。平均値の算出方法には、最も一般的な算術平均の他に、種々の移動平均が知られている。これら各種移動平均の中から演算量が比較的少なく、メモリ消費の少ないものを選定して利用しても良い。

（２）上記実施形態では、単位時間Ｔrを５分とした場合について説明したが、単位時間Ｔrについては船舶の運動性能に応じて適宜設定すれば良い。例えば、大型船舶の場合には外乱による針路偏差が小さいと考えられるので、単位時間Ｔrを比較的長く設定することができるが、小型船舶の場合には外乱による針路偏差が大きいので、単位時間Ｔrを比較的短く設定する必要がある。

本発明の一実施形態に係わるオートパイロット（自動操舵装置）の機能構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態において、設定舵角ｄを±５度変化させた場合におけるＲｅｌａｙ制御の結果（実際の針路偏差Ｌ）を示す模式図である。 本発明の一実施形態において、設定舵角ｄを±５度、かつ、Ｔ＝３００（秒）、Ｋ＝０．０４（１/秒）とした場合におけるＲｅｌａｙ制御の結果を示す模式図である。 本発明の一実施形態における設定針路修正部３の動作を模式的に示す説明図である。 本発明の一実施形態において単位時間Ｔを５分とした場合に設定針路修正部３が演算する修正設定針路Ｃと針路偏差Ｄとの関係を示すシミュレーション結果である。

符号の説明

Ａ…オートパイロット、１…減算器、２…針路設定器、３…針路偏差修正部、４…ＰＤ制御器、５…船体運動モデル、６…ゲインスケジューラ

Claims (2)

1. 予め得られた航走体の運動性能に基づいて針路偏差（被制御変数）に応じた舵角（操作変数）を出力する自己回帰モデルを用いた自動操舵装置において、
   所定の時間間隔で針路偏差の平均値を求め、当該平均値に基づいて設定針路（針路目標値）を修正する設定針路修正部を備え、
   設定針路修正部は、現在時刻における平均値Ａｖｅ（ｋ）、現在の針路偏差Ｄｅｖ（ｋ）、１単位時間前の平均値Ａve（ｋ−１）、平均値を求める時間長さＬａｇとする下記式（１）によって前記針路偏差の平均値を求めることを特徴とする自動操舵装置。
   

   
2. 限界感度法によって求められる制御パラメータの中の積分時間を前記時間長さＬａｇとすることを特徴とする請求項１記載の自動操舵装置。
   
   
   
   
   

Images